ГЛАВА 3

ГЛАВА 3. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИЗНУТРИ

Цифровые микросхемы предназначены для обработки, преобразования и хранения цифровой информации. Выпускаются они сериями. Внутри каждой серии имеются объединенные по функциональному признаку группы устройств: логические элементы, триггеры, счетчики, элементы арифметических устройств (выполняющие различные математические операции) и т. д. Чем шире функциональный состав серии, тем большими возможностями может обладать цифровое устройство, выполненное на базе микросхем этой серии. Микросхемы, входящие в состав каждой серии, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение, единое напряжение питания, одинаковые уровни сигналов логического 0 и логической 1. Все это делает микросхемы одной серии совместимыми.

Основой каждой серии цифровых микросхем является базовый логический элемент. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ и по принципу построения делятся на следующие основные типы: элементы диодно-транзисторной логики (ДТЛ), резистивно-транзисторной логики (РТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерносвязанной транзисторной логики (ЭСТЛ), микросхемы на комплиментарных МОП транзисторах (КМОП).

3.1. Диодно-транзисторная логика

Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) – технология построения цифровых схем на основе биполярных транзисторов, диодов и резисторов. Свое название технология получила благодаря реализации логических функций (например, И) с помощью диодных цепей, а усиления сигнала – с помощью транзистора.

Наиболее простой логический элемент получается при помощи диодов. Схема такого элемента приведена на рис. 3.1.

+5 В

Выход Вход 1

Вход 2

Рис. 3.1. Принципиальная схема логического элемента "2И", выполненного на диодах

В этой схеме при подаче нулевого потенциала на любой из входов (или на оба сразу) через резистор будет протекать ток и на его сопротивлении возникнет падение напряжения. В результате на выходе схемы будет единичный потенциал, только если подать единичный потенциал сразу на оба входа микросхемы. То есть схема реализует функцию "2И".

Приведенная схема обладает таким недостатком, как смещение логических уровней на выходе микросхемы. Напряжение нуля и напряжение единицы на выходе схемы выше входных уровней на 0,7 В. Это вызвано падением напряжения на входных диодах. Скомпенсировать это смещение уровней можно диодом, включенным на выходе схемы, как это показано на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Принципиальная схема усовершенствованного логического элемента "2И" на диодах

В этой схеме логические уровни на входе и выходе схемы одинаковы. Более того, схема на

рис. 3.2 будет нечувствительна не только к входным напряжениям, большим напряжения питания схемы, но и к отрицательным входным напряжениям. Диоды выдерживают обратное напряжение до сотен вольт.

+5 В

R1 R2

Выход

Вход 1

Вход 2

Рис. 3.3. Упрощенная схема двухвходового ДТЛ-элемента 2И-НЕ

Показанная на рис. 3.3 схема представляет собой типичный элемент 2И-НЕ: если хотя бы на одном из входов уровень логического нуля, то ток резистора R1 течет через диод во входную цепь. На анодах напряжение 0,7 В, которого недостаточно для открывания транзистора, для того чтобы его ввести в режим насыщения. На выходе формируется уровень логической единицы. Если на все входы поступает уровень логической единицы, ток течет через R1 в базу транзистора, образуя на анодах падение напряжения 1,4 В. Поскольку напряжение уровня логической единицы больше этой величины, входы диодов обратносмещены и не участвуют в работе схемы. Транзистор открыт и закорачивает выход на общую точку.

Задержка прохождения сигнала достаточно высока, из-за медленного процесса утечки заряда с базы в режиме насыщения (когда все входы имеют высокий уровень) при подаче на один из входов низкого уровня. Эту задержку можно уменьшить подключением базы транзистора через резистор к общему проводу или к источнику отрицательного напряжения.

В современной и эффективной технологии ТТЛ данная проблема решена путем замены диодов на мультиэмиттерный транзистор. Это также уменьшает площадь кристалла (в случае реализации в виде интегральной схемы), и соответственно позволяет добиться более высокой плотности элементов.

3.2. Транзисторно-транзисторная логика

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ; Transistor-Transistor Logic, TTL) — способ преобразования дискретной информации с помощью электронных устройств, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов. Транзисторы используются как для выполнения логических функций (например, И, ИЛИ), так и для усиления выходного сигнала (в отличие от резисторно-транзисторной и диодно-транзисторной логики). ТТЛ-принцип построения микроэлектронных схем означает, что транзисторы соединены между собой непосредственно. ТТЛ-схемы имеют большее быстродействие, чем аналогичные микросхемы, построенные по КМОП-технологии, однако потребляют больше электроэнергии и требуют стабильной работы источников питания.

ТТЛ применяется в персональных и промышленных компьютерах, в контрольноизмерительной аппаратуре и др. Входные и выходные цепи электронного оборудования выполняются совместимыми по электрическим характеристикам с ТТЛ. Технология ТТЛ стала известной среди разработчиков электронных систем в 1962 году, когда фирма Texas Instruments представила серию интегральных микросхем 7400. Эта серия микросхем стала промышленным стандартом. ТТЛ-микросхемы стали первыми приборами, применение которых позволило внедрить цифровые методы обработки информации для задач, ранее решавшихся исключительно аналоговыми методами.

Питание ТТЛ-схем осуществляется от одного источника напряжением + 5 В. Схема ТТЛэлемента, выполняющая функцию И-НЕ, показана на рис. 3.4, а.

На входе элемента включен многоэмиттерный транзистор VТ1. (при рассмотрении принципа работы схемы, для большей наглядности двухэмиттерный транзистор можно заменить на два параллельно соединенные транзисторы, как показано на рис. 3.4, б). Если на оба эмиттера VT1 подать напряжения высокого уровня, то эмиттерный переход транзистора окажется закрытым. При этом ток, протекающий через резистор R1 и коллекторный переход транзистора VТ1, откроет транзистор VТ2. Падение напряжения на резисторе RЗ будет достаточным для открывания транзистора VТ5. Напряжение на коллекторе транзистора VТ2 таково, что транзистор VТЗ закрыт, соответственно закрыт и транзистор VТ4. В результате на выходе элемента появится напряжение низкого уровня, соответствующее логическому 0. Если же хотя бы на один из входов элемента подать напряжение низкого уровня, то эмиттерный переход транзистора VТ1 откроется, а

транзисторы VТ2 и VТ5 будут закрыты. Транзистор VТЗ откроется за счет тока, протекающего через резистор R2, войдет в режим насыщения. Соответственно откроется транзистор VТ4, и на выходе элемента появится напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1. Следовательно, рассмотренный элемент выполняет функцию И-НЕ.

В состав микросхем серий ТТЛ входит также логический элемент И-НЕ без коллекторной нагрузки в выходном каскаде. Это так называемый элемент И-НЕ с открытым коллектором. Он предназначен для работы на внешнюю нагрузку, в качестве которой могут быть использованы электромагнитные реле, индикаторные приборы и т. д.. Кроме того, схемы с открытым коллектором применяются в шинах передачи данных в случае, когда две или более выходов подключены к одной физической линии.

Рис. 3.4. Транзисторно-транзисторная логика:

а – схема элемента ТТЛ; б – транзисторная схема, аналогичная двухэмиттерному транзистору; в – добавление диода Шоттки

для предотвращения насыщения

Выходной двухтранзисторный каскад создает ряд проблем. При изменении состояния на выходе на краткий промежуток времени открываются оба транзистора. Это вызывает короткий сильный импульс тока от источника питания. Величина импульса может доходить до 100 мА, что на практике служит источником помех. Поэтому часто в таких схемах прибегают к развязке схемы от шины питания при помощи конденсатора емкостью 0,01 мкФ.

Кроме того, в ТТЛ-схемах транзисторы работают в режиме насыщения, из-за чего возникает проблема, связанная с так называемым явлением накопления заряда. При этом переключение транзистора, находящегося в режиме насыщения, происходит с задержкой в несколько наносекунд. Эффект накопления заряда устраняют введением в схему диода Шоттки, как это показано на рис. 3.4 в.

3.3. Эмиттерно-связанная логика

Микросхемы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) являются самыми быстродействующими из всех типов логик, и обеспечивается это за счет целого ряда особенностей этой логики.

Главная особенность эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), повышающая ее быстродействие, заключается в том, что схема ее логического элемента основана на дифференциальном усилителе (балансном каскаде), дифференциальном переключателе тока, два транзистора которого переключают ток и не попадают в режим насыщения. Благодаря этому значительно сокращается время выхода транзисторов логического элемента из открытого состояния и существенно повышается общее быстродействие.

На рис. 3.5 приведена принципиальная схема базового логического элемента ЭСЛ, выполняющий функцию ИЛИ-НЕ. На транзисторах VT1, VT2 и VT3 выполнен токовый переключатель, обеспечивающий получение логических функций ИЛИ-НЕ на коллекторе VT2 и ИЛИ на коллекторе VT3. В качестве источника тока в эмиттерной цепи транзисторов VT1, VT2 и VT3 используется высокоомный резистор R5. Величина тока, задаваемая этим источником, и сопротивления резисторов R3 и R4 подбираются такими, чтобы исключить режим насыщения транзисторов в открытом состоянии независимо от разброса усиления этих транзисторов, что невозможно обеспечить в обычных ТТЛ сериях (а также в рассматриваемых ниже элементах на КМОП транзисторах).

На транзисторе VT4 и диодах VD1 и VD2 выполнен источник опорного напряжения. Это напряжение, уровень которого находится примерно посередине между уровнями, соответствующими логическим 0 и 1, подается на базу транзистора VT3. Поэтому транзистор VT3

Принципиальная схема элемента "2И-НЕ", выполненного на комплементарных МОП транзисторах приведена на рисунке 3.6, б. В этой схеме можно было бы применить в верхнем плече обыкновенный резистор, однако при формировании низкого уровня схема постоянно потребляла бы ток. Вместо этого, в качестве нагрузки используются p-МОП транзисторы. Эти транзисторы образуют активную нагрузку. Если на выходе требуется сформировать высокий потенциал, то транзисторы открываются, а если низкий – то закрываются.

Вприведенной на рис. 3.6, б схеме ток от источника питания на выход микросхемы будет поступать через один из транзисторов, если хотя бы на одном из входов (или на обоих сразу) будет присутствовать низкий потенциал (уровень логического 0). Если же на обоих входах будет присутствовать уровень логической 1, то оба p-МОП транзистора будут закрыты и на выходе микросхемы сформируется низкий потенциал. В этой схеме, если транзисторы верхнего плеча будут открыты, то транзисторы нижнего плеча будут закрыты, поэтому в статическом состоянии ток микросхемой от источника питания потребляться не будет.

Логический элемент "ИЛИ-НЕ", выполненный на КМОП транзисторах, представляет собой параллельное соединение ключей с электронным управлением (см. рис. 3.6, в). Как и в предыдущей схеме, вместо резистора в качестве нагрузки используются p-МОП транзисторы. Ток от источника питания на выход микросхемы поступает только в случае, если все транзисторы в верхнем плече будут открыты, т.е. если сразу на всех входах будет присутствовать низкий потенциал (уровень логического 0). Если же хотя бы на одном из входов будет присутствовать уровень логической 1, то верхнее плечо будет закрыто, и ток от источника питания поступать на выход микросхемы не будет.

Внастоящее время именно КМОП микросхемы получили наибольшее развитие. Причем наблюдается постоянная тенденция к снижению напряжения питания. Первые серии микросхем, такие как К1561 (иностранный аналог C4000В), обладали достаточно широким диапазоном изменения напряжения питания (от 3 до 18 В). При этом при понижении напряжения питания у конкретной микросхемы понижается ее предельная частота работы. В дальнейшем, по мере совершенствования технологии производства, появились улучшенные микросхемы с лучшими частотными свойствами и меньшим напряжением питания.

3.4.2. Особенности применения КМОП микросхем

Первой и основной особенностью КМОП микросхем является большое входное сопротивление. В результате на входах таких микросхем может самостоятельно наводиться напряжение любой величины, в том числе и равное половине напряжения питания. При таком входном напряжении возникают условия для открытия транзисторов как в верхнем, так и в нижнем плече выходного каскада, в результате чего микросхема начинает потреблять недопустимо большой ток и может выйти из строя. Поэтому обязательным условием эксплуатации КМОП микросхем является недопустимость оставления входов в неподключенном состоянии.

Второй особенностью КМОП микросхем является то, что они могут работать при отключенном питании. Однако в этом случае они чаще всего работают неправильно. Эта особенность связана с конструкцией входного каскада КМОП микросхем.

Выше на рис. 3.6 схемы элементов были приведены в упрощенном виде. Полная же схема, например КМОП инвертора, приведена на рис. 3.7

Рис. 3.7. Полная схема КМОП инвертора

Диоды VD1 и VD2 вводятся для защиты входного каскада от пробоя статическим электричеством.

Однако следует обратить внимание, что при подаче на вход микросхемы высокого потенциала он через диод VD1 попадет на шину питания микросхемы, и поскольку она потребляет достаточно малый ток, то микросхема начнет работать. Но, как правило, входного тока недостаточно для нормальной работы микросхемы, в результате чего она может работать неправильно. Поэтому при поиске неисправности схем на КМОП микросхемах необходимо в первую очередь проверять питание – при плохо пропаянных выводах потенциал отрицательного питания будет отличаться от потенциала общего провода схемы.

Третья особенность КМОП микросхем связана с паразитными диодами VD3 и VD4, которые

могут быть пробиты при неправильно подключенном источнике питания (микросхемы ТТЛ выдерживают кратковременную переполюсовку питания). Для защиты микросхем от переполюсовки питания следует в цепи питания предусматривать установку защитного диода.

Четвертая особенность КМОП микросхем – это протекание импульсного тока по цепи питания при переключении микросхемы из нулевого состояния в единичное и наоборот. В результате при переходе с ТТЛ микросхем на КМОП резко увеличивается уровень помех. В ряде случаев это важно и приходится отказываться от применения КМОП микросхем в пользу ТТЛ.

3.5.Основные параметры логических элементов

Косновным параметрам логических элементов относятся напряжение источника питания, уровни напряжений логического 0 и логической 1, нагрузочная способность, помехоустойчивость и быстродействие, потребляемая мощность.

Уровни лог. 0 и лог. 1 на входе и на выходе микросхем отличаются, как правило, до 30 % от напряжения источника питания. Кроме того, логические уровни КМОП микросхем существенно отличаются от логических уровней ТТЛ микросхем (см. рис. 3.8). Так при отсутствии тока нагрузки напряжение на выходе КМОП микросхемы совпадает с напряжением питания (уровень лог. 1) или

спотенциалом общего провода (уровень лог. 0). При увеличении тока нагрузки напряжение лог. 1 может уменьшаться до 90 %, а напряжения лог. 0 – увеличиваться до 10 % от напряжения питания. На входе же КМОП микросхемы минимально допустимый уровень лог. 1 составляет 70 %, а лог. 0 – 30 % от напряжения питания.

Рис. 3.8. Уровни логических сигналов на выходе (входе)

цифровых микросхем

У микросхем ТТЛ уровень лог. 1 находится в пределах от 40 % от напряжения питания (на входе) до 50 % на выходе. Уровень лог. 0 соответственно от 15 % (на входе) до 8 % на выходе.

Нагрузочная способность – способность элемента работать на определенное число входов других элементов без дополнительных устройств согласования характеризуется так называемым коэффициентом разветвления и оценивается числом единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу микросхемы. Коэффициент разветвления по выходу для большинства логических элементов серий ТТЛ серии составляет 10, а для микросхем серий КМОП

– до 100.

Следует отметить, что при повышении нагрузочной способности другие параметры микросхем ухудшаются: снижаются быстродействие и помехоустойчивость, возрастает потребляемая мощность.

Помехоустойчивость базовых логических элементов оценивают в статическом и динамическом режимах. При этом статическая помехоустойчивость определяется уровнем напряжения, подаваемого на вход элемента относительно уровней логических 0 и 1, при котором состояние на выходе схемы не изменяется. Для элементов ТТЛ статическая помехоустойчивость составляет не менее 0,4 В, а для микросхем серий КМОП – не менее 30 % напряжения питания.

Динамическая помехоустойчивость зависит от формы и амплитуды сигнала помехи, а также от скорости переключения логического элемента и его статической помехоустойчивости. Динамические параметры базовых элементов оценивают, в первую очередь, быстродействием. Количественно быстродействие можно характеризовать предельной рабочей частотой, т. е. максимальной частотой переключения. Предельная рабочая частота современных микросхем ТТЛ составляет свыше 10 МГц, а микросхем на КМОП структурах лишь 1 МГц.

Предельная частота ограничивается средним временем задержки распространения сигнала

(см. рис. 3.9)

Рис. 3.9. Временная диаграмма распространения сигнала

Для микросхем ТТЛ это время составляет около 20 нс, а для микросхем КМОП – около 200 нс. Потребляемая микросхемой мощность в статическом режиме оказывается различной при

уровнях лог. 0 (Рлог.0) и лог. 1 (Рлог.1) на выходе. В связи с этим измеряют среднюю мощность потребления

Статическая средняя мощность потребления базовых элементов ТТЛ составляет несколько десятков милливатт, а у элементов КМОП она более чем в тысячу раз меньше.

Следует отметить, что при работе в динамическом режиме мощность, потребляемая логическими элементами, возрастает. Поэтому помимо потребляемой мощности в статическом режиме РСР микросхемы характеризуются также потребляемой мощностью в динамическом режиме РДИН, измеряемой на максимальной частоте переключений.

Контрольные вопросы и задания

1.Какие технологии построения логических элементов Вы знаете?

2.Нарисуйте и объясните принцип действия базового элемента диодно-транзисторной логика. Укажите недостатки по причине которых диодно-транзисторной логика не находит широкого применения.

3.Нарисуйте и объясните принцип действия базового элемента И-НЕ транзисторно-транзисторной логики.

4.Нарисуйте и объясните принцип действия базового элемента ИЛИ-НЕ эмиттерно-связанной транзисторной логики. Какими преимуществами ЭСЛ обладает перед ТТЛ?

5.Нарисуйте логические схемы и поясните работу элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ, реализованных на КМОП структурах.

6.Какие особенности применения КМОП микросхем Вы знаете?

7.Перечислите основные параметры логических элементов и поясните их.